純硬件開環(huán)電壓型無死區(qū)半橋逆變器研究

湯定德

(江西科技學(xué)院機械工程學(xué)院，江西 南昌 330098)

0　引言

隨著生活水平的提高、環(huán)境的變化和網(wǎng)絡(luò)的普及，人們的生活和工作觀念也在不斷地發(fā)生變化，對自然環(huán)境的要求也越來越高。新能源發(fā)電具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點。由于目前大部分用電設(shè)備仍采用交流供電，故新能源發(fā)電往往需使用逆變器。

逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的裝置。目前使用的逆變器以電壓型居多。從經(jīng)濟性和便于維護(hù)的角度考慮，家用逆變器宜采用半橋逆變。但無論是半橋逆變器還是全橋逆變器，往往都會為了避免同一橋臂直通而設(shè)置死區(qū)時間。其死區(qū)時間應(yīng)大于等于開關(guān)管的開通和關(guān)斷時間的最大值，以防止因上下橋臂直通而產(chǎn)生短路[1]。然而，設(shè)置死區(qū)時間會造成輸出電流波形畸變、低次諧波增加和基波電壓損失，且隨著輸出頻率的提高，死區(qū)時間對波形的影響越來越嚴(yán)重[2]。此外，三電平逆變器相對于兩電平逆變器，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力減少了50%，同時輸出的濾波電感和電容值也相應(yīng)減少[3-4]。為此，本文設(shè)計了一種純硬件開環(huán)電壓型無死區(qū)半橋三電平逆變器。

1　純硬件無死區(qū)半橋逆變系統(tǒng)

開環(huán)電壓型無死區(qū)半橋逆變器系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理圖

開關(guān)管VT1與VT2采用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)，位于同一橋臂。驅(qū)動信號采用單極性正弦脈寬調(diào)制 (sinusoidal pulse width modulation,SPWM)波，且VT1與VT2的驅(qū)動信號極性相反，這樣能保證在基波的任一半周內(nèi)始終只有一個開關(guān)管導(dǎo)通，有效避免了同一橋臂上下直通。直通只會出現(xiàn)在基波電壓過零點，但由于IGBT允許一定的短路時間，故逆變器因此而損壞開關(guān)管IGBT純屬小概率事件。

隨著新技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多符合電壓滯后電流特性的容性負(fù)載，且由于容性電流和感性電流相位相反且相互抵消[5]，故總體負(fù)載多為純阻性或呈現(xiàn)弱感性。因此，該電壓型半橋逆變器能很好地滿足諸如“鄉(xiāng)居”小戶型用電的要求。

1.1　IGBT通斷分析

在逆變系統(tǒng)中，開關(guān)管(以SKM75GB124D型IGBT為例)對驅(qū)動電壓有特殊的要求[6-7]。

①在導(dǎo)通之后，IGBT柵極的驅(qū)動電壓和電流都應(yīng)有足夠的幅度。該幅度須能使IGBT的功率輸出級始終處于飽和狀態(tài)，且在IGBT突然過載時，能保證IGBT不會因此而被損壞。

②驅(qū)動電路提供給IGBT柵極的正向驅(qū)動電壓值并非越高越好。因為負(fù)載短路過程中，IGBT的集電極電流將隨著驅(qū)動電壓值同向變化，且必須使IGBT所承受的短路電流脈寬變窄，否則20 V的浪涌電壓會損壞IGBT。因此，在實際應(yīng)用中，IGBT的柵-射極間驅(qū)動電壓要取合適的值。試驗證明，IGBT的驅(qū)動電壓以10～15 V為最佳。

③在IGBT的關(guān)斷過程中，應(yīng)對柵-射極間施加一定的反向偏壓，使IGBT快速關(guān)斷，但反向偏壓過大易造成柵-射極被反向擊穿。故反向偏壓也應(yīng)取適當(dāng)值，一般取為-10～-2 V。

根據(jù)IGBT(SKM75GB124D)相關(guān)資料，本文將電壓控型器件IGBT的驅(qū)動和關(guān)斷電壓分別取+10 V和-10 V。

1.2　驅(qū)動信號

在不設(shè)置死區(qū)時間的情況下，為避免半橋逆變時同一橋臂上下直通，驅(qū)動信號必須為單極性SPWM波，如圖2所示。

圖2　單極性SPWM驅(qū)動信號波形

在圖2中，單極性SPWM波的脈寬按虛線所示的低頻正弦調(diào)制波(基波)電壓大小進(jìn)行變化，且在圖1中的VT1導(dǎo)通過程中，VT2因承受幅值為10 V的反向偏壓而可靠截止；反之亦然。在調(diào)制信號和高頻載波信號同時過零點的特殊時刻，即驅(qū)動信號由+10 V跳變至-10 V(或反之)的瞬間，可能會因IGBT關(guān)斷延時而出現(xiàn)同一橋臂直通現(xiàn)象，但這是小概率事件。另外，即使在最壞的情況下，IGBT也能承受10 μs的短路熱應(yīng)力[8]，這也是無需設(shè)置死區(qū)時間的另一個原因。

1.3　驅(qū)動信號產(chǎn)生電路

要得到如圖2所示的SPWM驅(qū)動信號，可先采用傳統(tǒng)方法得到雙極性SPWM波，即由高頻三角波和工頻正弦波進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)比較器產(chǎn)生雙極性SPWM波；再由工頻正弦波經(jīng)過零比較器所得到的方波電壓控制電壓繼電器，同時利用兩個二極管的單向?qū)щ娦砸詫崿F(xiàn)單極性SPWM信號輸出。若此電路中使用的直流電源電壓為±10 V且輸出功率適當(dāng)，則該SPWM信號即可作為如圖2所示的驅(qū)動信號，而不必另設(shè)開關(guān)管驅(qū)動保護(hù)電路。

設(shè)工頻正弦波峰值為Um、頻率為fm，高頻三角波峰值為Uc、頻率為fc，則調(diào)制比ka(本文設(shè)為0.95)和載波比kf(本文設(shè)為200)可按式(1)和式(2)計算。

(1)

(2)

當(dāng)0≤ka≤1時，基波幅值隨著調(diào)制比的增大而線性增加。但當(dāng)調(diào)制比大于3.24時，基波幅值卻趨于某飽和狀態(tài)，故此時的基波電壓表現(xiàn)為(近似)方波形式。對于中、小功率無死區(qū)逆變器，因開關(guān)器件的性能較好且開關(guān)損耗響應(yīng)較小，載波比可大于21，從而使濾波變得更加容易[9]。

1.4　逆變輸出原理

由圖1和圖2可知，對于純阻性負(fù)載，在調(diào)制信號的正半周，VT2始終截止而VT1在正脈沖信號驅(qū)動下可靠導(dǎo)通，得到形似驅(qū)動信號且幅值為0.5Ud的SPWM電壓。若Z0為阻感型負(fù)載，則從調(diào)制信號的負(fù)半周起，電流經(jīng)VT2的續(xù)流二極管向C2正向充電，直到續(xù)流結(jié)束，且UAB=-0.5Ud。續(xù)流結(jié)束后，電流方向開始發(fā)生改變(電壓仍為負(fù)值)，且VT2開始脈動通斷直至負(fù)半周結(jié)束，后續(xù)周而復(fù)始。逆變器輸出電壓波形如圖3所示。

圖3　逆變器輸出電壓波形

由圖3可知，在續(xù)流過程中，電流方向不變，但圖1中A、B間的電壓方向發(fā)生了變化且持續(xù)到續(xù)流結(jié)束，負(fù)載電壓波形也出現(xiàn)了畸變(交越失真)。隨著負(fù)載感性的增強，波形畸變也越發(fā)嚴(yán)重。

2　逆變系統(tǒng)仿真

2.1　仿真模型的搭建

利用MATLAB軟件搭建系統(tǒng)仿真模型時，關(guān)鍵在于單極性SPWM信號發(fā)生電路。首先，由三角波發(fā)生模塊(設(shè)置成10 kHz輸出)、正弦波發(fā)生模塊(設(shè)置成50 Hz輸出)及加減運算模塊構(gòu)建雙極性SPWM波發(fā)生電路[10]；然后，根據(jù)調(diào)制信號(50 Hz的正弦波)的極性變化情況，將雙極性SPWM波“制作”成單極性SPWM波。

搭建驅(qū)動信號發(fā)生電路后，將直流電源、開關(guān)管、續(xù)流二極管、電感與電容(構(gòu)成輸出交流濾波器)、負(fù)載及電壓/電流測試模塊按要求連線，即可構(gòu)成純硬件單相半橋開環(huán)電壓型逆變器電路模型。

2.2　仿真結(jié)果

對搭建好的純硬件單相開環(huán)電壓型逆變器電路模型進(jìn)行在線仿真。在純阻性負(fù)載情況下，逆變器輸出電壓仿真波形如圖4所示。

圖4　逆變器輸出電壓仿真波形

由圖4可知，在純阻性負(fù)載下，系統(tǒng)輸出波形為無失真的正弦波。

3　結(jié)束語

對于非重載用戶，為降低成本和便于后續(xù)維護(hù)，利用新能源發(fā)電時，宜采用半橋開環(huán)逆變器。為避免因干擾而導(dǎo)致的開關(guān)器件誤損壞、因設(shè)置死區(qū)時間而導(dǎo)致的基波電壓損失以及開環(huán)輸出電壓波形畸變等，在純電阻(弱感性)負(fù)載情況下，采用單極性SPWM驅(qū)動，輸出電壓波形較好。但在阻感型(或較強感性)負(fù)載情況下，輸出電壓仍出現(xiàn)波形畸變。這也是后續(xù)研究的重點。

參考文獻(xiàn):

[1] 宋崇輝,刁乃哲,薛志偉,等.新型多重載波無死區(qū)SPWM[J].中國電機工程學(xué)報,2014,34(12):1853-1862.

[2] 程澤濤,高學(xué)軍.死區(qū)效應(yīng)對逆變器并聯(lián)環(huán)流影響的研究和仿真[J].三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,37(5):78-81.

[3] 趙旭升.單極性SPWM三電平半橋逆變器的研究[J].電力電子技術(shù),2016,40(3):29-30.

[4] 王萬寶,張犁,胡海兵,等.單相半橋三電平并網(wǎng)逆變器中點電壓不平衡機理及其均壓控制策略[J].中國電機工程學(xué)報,2014,34(6):839-844.

[5] 謝寧,黃海萍.家用電器功率因數(shù)初探[J].建筑電氣,2012,31(7):32-37.

[6] 唐勇,汪波,陳明,等.高溫下的IGBT可靠性與在線評估[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014,29(6):17-22.

[7] 劉賓禮,劉德志,羅毅飛,等.基于電壓電流的IGBT關(guān)斷機理與關(guān)斷時間研究[J].物理學(xué)報,2013,62(5):1-9.

[8] 趙曉博,劉立群,翟曉宇,等.一種IGBT短路保護(hù)驅(qū)動電路的優(yōu)化[J].太原科技大學(xué)學(xué)報,2016,37(4):256-259.

[9] 劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[10]范波,張聚偉,史光輝.級聯(lián)型逆變器多電平PWM控制及仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2014,26(2):458-463.